孫葉柱，王義兵，梁學(xué)東，陳豐，鄭建農(nóng)

(1.華能國(guó)際電力股份有限公司，北京市，100086;2.華能南京金陵發(fā)電有限公司，南京市，210035)

0 引言

選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)煙氣脫硝工藝是火電廠煙氣脫硝的主流技術(shù)。1970年以來(lái)SCR工藝在日本、美國(guó)及歐洲各國(guó)都得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)現(xiàn)有電廠的煙氣脫硝工程也大多采用SCR工藝［1］。脫硝催化劑是SCR煙氣脫硝工藝中的核心設(shè)備，其作用是降低氨(NH3)與氮氧化物(NOx)反應(yīng)的活化能，使脫硝還原反應(yīng)能在鍋爐尾部煙氣條件下順利完成。

實(shí)際使用中，催化劑的壽命會(huì)受到各種因素的影響。從目前國(guó)內(nèi)外脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行情況看，煙氣中大顆粒飛灰對(duì)催化劑的磨損或飛灰沉積造成催化劑堵塞是影響催化劑壽命的兩大主要原因。

1 飛灰磨損、堵塞催化劑的機(jī)理

微觀上，飛灰顆粒隨煙氣高速撞擊催化劑壁時(shí)，可分解為切削力和撞擊力，而磨損是以切削力為主。飛灰的高速撞擊消耗了其顆粒的動(dòng)能，該動(dòng)能作用到催化劑壁表面，使其微粒克服分子間結(jié)合力而與母體分離產(chǎn)生磨損。

宏觀上，飛灰對(duì)催化劑的磨損主要取決于飛灰磨損特性、飛灰粒徑分布、煙氣流速、飛灰濃度以及催化劑的抗磨損等特性。此外，還與鍋爐負(fù)荷、煙氣溫度、煙道的漏風(fēng)量、飛灰的含碳量、飛灰沿?zé)煹澜孛孢\(yùn)動(dòng)的速度及飛灰濃度分布的不均勻性等因素有關(guān)。

1.1 飛灰磨損特性

飛灰的磨損特性［2-6］取決于灰粒的大小、形狀、軟硬、灰熔點(diǎn)、化學(xué)組成等因素。飛灰顆粒的動(dòng)能與飛灰顆粒的大小成正比［2］，去除大顆粒的飛灰，可顯著減輕其對(duì)催化劑的磨損。試驗(yàn)證明，若能將大于90 μm的灰粒的分離效率從67%提高到90%，則根據(jù)文獻(xiàn)［2］算出的磨損速度可降為以前的45%。一般，具有銳利棱角形狀的飛灰顆粒要比球形的磨損更嚴(yán)重些?；胰埸c(diǎn)越高，在火焰中被熔化的比例越小，尖角越多，磨損性越強(qiáng)。試驗(yàn)表明，尖銳顆粒比熔化過(guò)的球形顆粒對(duì)金屬的磨損率大10倍。飛灰的化學(xué)組成中SiO2和Al2O3所占飛灰的比值通常作為飛灰磨損特性的重要指標(biāo)。比值越大，磨損越嚴(yán)重，當(dāng)比值超過(guò)60%時(shí)，磨損將顯著加重。催化劑磨損程度與飛灰顆粒硬度與催化劑硬度的比值有關(guān)，提高催化劑的硬度有利于提高其耐磨性。

1.2 飛灰堵塞特性

飛灰造成催化劑堵塞是由于粗糙飛灰顆粒隨煙氣漂浮至催化劑表面，細(xì)小的灰粒在層流狀態(tài)下聚積于SCR煙氣脫硝反應(yīng)器的上游部位，并進(jìn)一步凝聚到催化劑表面形成搭橋而造成的。這種現(xiàn)象是SO3、未燃盡的碳?xì)浠衔?、Ph、CaO、Na、K等化學(xué)物質(zhì)和飛灰粒徑分布、表面摩擦力等因素共同作用的結(jié)果。

當(dāng)飛灰粒徑大于4 mm時(shí)可造成催化劑嚴(yán)重阻塞。對(duì)于直徑較大的飛灰顆粒，如只從催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)防止堵塞是不行的，必須在其進(jìn)入催化劑前去除。在美國(guó)電站發(fā)展過(guò)程中，曾出現(xiàn)過(guò)直徑達(dá)10 mm的爆米花狀飛灰對(duì)空預(yù)器造成嚴(yán)重的堵塞。

1.3 飛灰濃度對(duì)催化劑磨損的影響

磨損與飛灰的濃度成正比。飛灰濃度越大，表明煙氣中灰量越多，灰粒撞擊的次數(shù)越多，引起的磨損越嚴(yán)重。脫硝反應(yīng)器內(nèi)部煙氣流場(chǎng)分布不均勻，局部地區(qū)造成飛灰濃度集中，也易引起催化劑在濃度集中地區(qū)的嚴(yán)重磨損。

1.4 煙氣流速對(duì)催化劑磨損的影響

飛灰顆粒流速越大，對(duì)催化劑的磨損也越嚴(yán)重。許多研究表明，飛灰對(duì)不同鋼材的磨損量與其流速的2～3次方成正比(熱態(tài)時(shí)，隨著溫度的升高，流速對(duì)飛灰沖刷磨損的影響有所減弱)。

采用多項(xiàng)式非線性曲線擬合熱態(tài)飛灰沖蝕磨損數(shù)學(xué)模型表征熱態(tài)下含灰氣流沖蝕熱態(tài)金屬表面的磨損特征為

式中 :ΔI為相對(duì)磨損量，mg/g;Ws為灰粒子速度，m/s;t3為試件溫度，℃;a0、a1、a2、a3、a4、a5為所求回歸系數(shù)。

由上式分析可知，在SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)部煙氣流場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免煙氣流速過(guò)大，特別是局部區(qū)域流速過(guò)大。一般認(rèn)為SCR脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)煙氣流速應(yīng)小于5.2 m/s(實(shí)際煙氣流量/反應(yīng)器截面內(nèi)總的催化劑元件截面積的比值)為宜。

2 國(guó)內(nèi)電廠飛灰特性分析

2.1 我國(guó)的煤質(zhì)特征

判別煤炭質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)很多，其中灰份和硫份是較主要的指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，灰份小于10%的煤炭約占中國(guó)探明儲(chǔ)量的17%，大部分煤炭的灰份為15%～30%。我國(guó)煙煤大多為優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，灰份低于15%，硫份小于1%;貧煤的灰份和硫份都較高，灰份為15% ～30%，硫份為1.5% ～5%。

2.2 電廠飛灰數(shù)據(jù)分析

以下通過(guò)典型電廠電除塵飛灰的數(shù)據(jù)，分析國(guó)內(nèi)電廠實(shí)際飛灰特性。

(1)A電廠數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)該廠煙氣飛灰濃度約為14～32 g/Nm3。試驗(yàn)時(shí)，入爐煤灰含量約為33.63%，按10%的飛灰變成爐渣的理論計(jì)算，則煙氣中的飛灰濃度約為43 g/Nm3。此外，飛灰中的SiO2與 Al2O3含量之和達(dá)到84.9%，CaO含量為3.99%(粘性小)。從除塵器第1電場(chǎng)的飛灰樣品可知，飛灰顆粒比較粗，平均粒徑為196.9 μm，峰值為223.4 μm;粒徑大于100 μm的飛灰超過(guò)78.8%。表明煙氣中的飛灰濃度較高、質(zhì)地硬、粒度大。

(2)B電廠數(shù)據(jù)。鍋爐燃煤的灰含量在設(shè)計(jì)與校核煤的范圍之內(nèi)，煙氣中的飛灰濃度為20～28 g/Nm3。從靜電除塵器第1電場(chǎng)采集的飛灰樣品可知，粒徑小于10 μm的顆粒體積含量低于20%，粒徑為10～200 μm的顆粒體積占60% ～70%，峰值粒徑約為120 μm。

(3)C電廠數(shù)據(jù)。從全年入廠煤的加權(quán)平均值來(lái)看，灰含量為25.44% ～39.29%;硫含量為1.29% ～3.36%。從靜電除塵器第1電場(chǎng)采集的飛灰樣品可知，粒徑小于10 μm的顆粒體積含量低于15%，粒徑10～100 μm 的顆粒體積約占 55%，粒徑 100～200 μm的顆粒體積約占 30%，峰值粒徑約為106 μm。

(4)D電廠數(shù)據(jù)。鍋爐設(shè)計(jì)燃用準(zhǔn)格爾煤，灰含量為24.61%，揮發(fā)份為39.53%，硫含量為0.42%。從靜電除塵器第1電場(chǎng)采集的飛灰樣品可知，粒徑小于10 μm的顆粒體積含量低于10%，粒徑10～200 μm的顆粒體積約占60%，峰值粒徑約為120～140 μm。飛灰中的堿土金屬氧化物(CaO與MgO)含量低于1.5%，SiO2與Al2O3含量之和超過(guò)87%，表明飛灰的粘性較小，而硬度相對(duì)較高。

對(duì)以上數(shù)據(jù)分析表明，目前國(guó)內(nèi)電廠排放的煙氣中飛灰粒徑分布的峰值大于100 μm具有普遍性，有的電廠的飛灰粒徑分布的峰值甚至超過(guò)200 μm。有3個(gè)電廠的飛灰中SiO2+Al2O3的含量在80%左右，說(shuō)明國(guó)內(nèi)電廠實(shí)際飛灰較普遍地具有較強(qiáng)的磨損特性。近年來(lái)，全國(guó)電廠普遍存在購(gòu)煤難，購(gòu)設(shè)計(jì)煤種更難，到廠的煤質(zhì)較差、灰量過(guò)高的情況，使電廠實(shí)際飛灰產(chǎn)生量大大高于設(shè)計(jì)值，造成煙氣系統(tǒng)部分設(shè)備堵塞，同時(shí)除灰設(shè)備超出力情況時(shí)有發(fā)生?；曳菰礁撸瑢?duì)SCR脫硝催化劑造成的磨損和堵塞越嚴(yán)重，在灰份增加的同時(shí)，堿土金屬(CaO、MgO等)和灰粒中可溶性堿金屬鹽(Na、K等)對(duì)催化劑活性的損害也在增加。

可以認(rèn)為，為避免脫硝催化劑和對(duì)其后的空預(yù)器設(shè)備的磨損，在脫硝反應(yīng)器前盡可能地除去大顆粒的飛灰是十分必要的。

3 設(shè)置大容積灰斗，增加煙道截面積

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在滿足脫硝效率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、氨逃逸等主要性能指標(biāo)的同時(shí)，應(yīng)最大限度地保證和延長(zhǎng)催化劑的化學(xué)壽命和機(jī)械壽命，以減少運(yùn)行成本(催化劑價(jià)格相當(dāng)昂貴)。因此在評(píng)估脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，還要看是否采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，盡可能地除去大顆粒的飛灰，并降低煙氣的流速和飛灰濃度，以減小磨損，延長(zhǎng)催化劑的壽命。在煙氣流速、飛灰濃度等條件一定的情況下，在煙氣轉(zhuǎn)向前設(shè)置灰斗，達(dá)到在煙氣進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器前去除較大灰顆粒的目的。這是避免脫硝催化劑磨損和堵塞，延長(zhǎng)催化劑的機(jī)械、化學(xué)壽命的非常有效的措施。

美國(guó)巴威公司建議在鍋爐省煤器出口布置灰斗，以除去煙氣中顆粒較大的飛灰，保護(hù)空氣預(yù)熱器。實(shí)際工程數(shù)據(jù)表明，巴威公司設(shè)計(jì)的蝙蝠翼折流省煤器灰斗，對(duì)爆米花狀飛灰的脫除率可從73.3%增大到98.9%，大大降低了空預(yù)器的磨損和堵塞。

本文認(rèn)為通過(guò)在省煤器出口至SCR脫硝反應(yīng)器前的水平煙道前設(shè)置足夠的灰斗，并在水平煙道后至SCR脫硝噴氨煙道前設(shè)置足夠的灰斗可非常有效地降低煙氣攜帶大顆粒飛灰的比例。

目前在鍋爐爐后系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，有一種理論認(rèn)為通過(guò)選擇較大煙氣的流速和較大催化劑孔徑，可將飛灰“吹”出催化劑層和其后的空預(yù)器，能夠避免設(shè)備的堵塞和飛灰的淤積。但本文認(rèn)為這種理論加速了催化劑和其后的空預(yù)器的磨損，減少了設(shè)備的壽命。

3.1 灰斗除灰的原理

圖1～3是省煤器灰斗飛灰流場(chǎng)示意圖。

圖1中，灰斗上部出現(xiàn)較小的回流，內(nèi)部有不連續(xù)的流場(chǎng)存在，從而有利于灰塵的降落。但相對(duì)于圖2、3的流場(chǎng)，仍存在較強(qiáng)的回流流場(chǎng)，容易造成二次揚(yáng)灰，不利于提高除塵效率。

圖2中，擴(kuò)容后的灰斗中煙氣流速減慢，灰斗上部出現(xiàn)了較大的回流，不連續(xù)的流場(chǎng)變大，更有利于大顆粒飛灰的沉降和去除，并減少了飛灰的二次攜帶，增加了灰斗的除灰效率和容量。

圖1 省煤器灰斗流場(chǎng)示意Fig.1 Flow field in ash hopper of economizer

圖2 擴(kuò)容后的省煤器灰斗流場(chǎng)示意Fig.2 Flow field in ash hopper of expanded economizer

圖3 擴(kuò)容、增加煙道截面積后的省煤器灰斗流場(chǎng)示意Fig.3 Flow field in ash hopper of expanded economizer with enlargement of flue section

圖3中，在灰斗擴(kuò)容，同時(shí)增加煙道的截面積時(shí)，可使煙氣流速進(jìn)一步減慢，區(qū)域中的飛灰的濃度變小，整個(gè)流場(chǎng)的速度分布趨于均勻。同時(shí)，底部有1個(gè)很大的滯止區(qū)，這樣的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)利于重力分離，流場(chǎng)中的重力分離和顆粒之間吸附力充分發(fā)揮作用，慣性分離得到加強(qiáng)，分離效率相對(duì)最高，并有利于減小系統(tǒng)的阻力，降低能耗［7］。

圖4、5為SCR脫硝入口灰斗流場(chǎng)示意圖，煙氣由水平轉(zhuǎn)入垂直方向，在煙道的轉(zhuǎn)彎內(nèi)徑處設(shè)有擋板。圖6為某工程的SCR脫硝入口灰斗流場(chǎng)示意圖。

對(duì)比圖4、5的流場(chǎng)，煙氣在擋板的后方出現(xiàn)回流，有不連續(xù)的流場(chǎng)存在，從而有利于灰塵的降落。圖5中對(duì)灰斗及煙道進(jìn)行擴(kuò)容后，增加煙道的截面積，使煙氣在灰斗處的流速驟減，整個(gè)流場(chǎng)的速度分布趨于均勻，對(duì)飛灰的分離作用與圖3相似，分離效率得到較大的提高，同時(shí)也減小了煙道阻力，降低風(fēng)機(jī)能耗。在圖6的灰斗設(shè)計(jì)中，灰斗設(shè)置在煙道彎頭的前方，且在彎頭處進(jìn)行了縮徑處理，煙道截面積減小，流速增加，不利于飛灰的降落和分離，除灰效果十分有限。這種設(shè)計(jì)是不可取的。

圖4 未擴(kuò)容的SCR入口灰斗流場(chǎng)示意Fig.4 Flow field in ash hopper at inlet of unexpanded SCR

圖5 擴(kuò)容后的SCR入口灰斗流場(chǎng)示意Fig.5 Flow field in ash hopper at inlet of expanded SCR

圖6 某工程的SCR入口灰斗流場(chǎng)示意Fig.6 Flow field in ash hopper at inlet of SCR in a project

3.2 有關(guān)灰斗設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 灰斗除灰實(shí)驗(yàn)

國(guó)內(nèi)針對(duì)330 MW機(jī)組在不同工況下的灰斗除灰實(shí)驗(yàn)中，對(duì)灰樣分離前、后的粒度頻度分布建立了函數(shù)(圖7)。從圖7中看出，分離出的灰樣比分離前的灰樣粒徑增大很多。對(duì)篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)一步處理，討論對(duì)大于90 μm 及50～90 μm 的粒子的分級(jí)效率，如表1所示。由表1可知，灰斗對(duì)大于90 μm的粒子有較高的分級(jí)效率，達(dá)80%左右;而對(duì)50～90 μm的粒子，分級(jí)效率較低。雖然分級(jí)效率是試驗(yàn)室數(shù)據(jù)，不足以證明電廠灰斗實(shí)際的分級(jí)效率也能達(dá)到80%，但也說(shuō)明了灰斗對(duì)去除大顆粒飛灰的作用是非常明顯的。

圖7 灰樣分離前后粒度頻度分布Fig.7 Frequency distribution for various particle sizes under ash sample separation

表1 灰斗分級(jí)效率Tab.1 Classification efficiency of ash hopper

3.2.2 灰斗改型實(shí)驗(yàn)

在有關(guān)實(shí)驗(yàn)［8-10］中，通過(guò)增大灰斗的容積和增加控流擋板(圖8)，驗(yàn)證了灰斗改型對(duì)除灰效果的影響。試驗(yàn)中考慮了3種灰斗容積、4種擋板長(zhǎng)度、4種擋板角度(含無(wú)擋板的工況)。對(duì)全工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析(見圖9)可以看出，灰斗的分離效率隨容積的增大呈上升趨勢(shì)，但隨擋板長(zhǎng)度和角度的變化相對(duì)不顯著。圖中V為改型后容積與原型容積之比;L為l/D。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)催化劑是SCR煙氣脫硝工藝的重要設(shè)備，避免催化劑磨損和堵塞是保護(hù)和延長(zhǎng)催化劑壽命的重要手段。

圖8 灰斗改型試驗(yàn)方案Fig.8 Testing scheme for modifications of ash hopper

圖9 灰斗改型全工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果(分離效率)Fig.9 Testing results of separation efficiency for modification of ash hopper

(2)在煙氣流場(chǎng)、流速及催化劑設(shè)計(jì)、選型等條件一定的情況下，通過(guò)合理設(shè)置足夠的省煤器出口灰斗、SCR脫硝反應(yīng)器入口灰斗，能夠有效去除煙氣中大顆粒的飛灰，從而顯著減少催化劑磨損、堵塞。

(3)通過(guò)設(shè)置大容積的擴(kuò)容灰斗，增加煙道的截面積，可以有效提高灰斗去除大顆粒飛灰的效率，并有利于減小整個(gè)煙道系統(tǒng)阻力，降低風(fēng)機(jī)能耗。

(4)在SCR脫硝反應(yīng)器前的煙道上應(yīng)設(shè)置足夠的擴(kuò)容省煤器灰斗和SCR脫硝入口灰斗，在鍋爐總體布置許可的條件下，灰斗設(shè)置宜取上限值進(jìn)行設(shè)計(jì):除灰效率按5% ～10%的總灰量、容量按8 h的灰沉積量。

(5)實(shí)際效果:某工程2臺(tái)1 000 MW級(jí)超超臨界發(fā)電機(jī)組省煤器出口、SCR脫硝煙道進(jìn)口均設(shè)置灰斗，經(jīng)過(guò)1年左右的運(yùn)行(每日定期吹灰)，脫硝反應(yīng)器內(nèi)部未見明顯的磨損、堵塞，SCR脫硝反應(yīng)器煙氣阻力未見明顯增加。

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